STL-关联容器（面试复习4）

目录

1）关联容器有哪些？各自底层是什么？

[2）为什么 map/set 查找是 O(logN)？红黑树有什么性质？](#2）为什么 map/set 查找是 O(logN)？红黑树有什么性质？)

[3）map vs unordered_map 选型：什么时候用哪个？](#3）map vs unordered_map 选型：什么时候用哪个？)

[4）map 的 operator[] 有什么副作用？](#4）map 的 operator[] 有什么副作用？)

[5）unordered_map 的 operator[] 也会插入吗？](#5）unordered_map 的 operator[] 也会插入吗？)

[6）count / find / equal_range 在 set/map 中怎么用？](#6）count / find / equal_range 在 set/map 中怎么用？)

[7）lower_bound / upper_bound 在 map/set 的意义？](#7）lower_bound / upper_bound 在 map/set 的意义？)

[8）multimap/multiset 和 map/set 区别？](#8）multimap/multiset 和 map/set 区别？)

[9）erase 的几种重载与迭代器失效规则](#9）erase 的几种重载与迭代器失效规则)

[10）unordered_map 的 rehash、load_factor、reserve：会问很频繁](#10）unordered_map 的 rehash、load_factor、reserve：会问很频繁)

[11）为什么 unordered_* 最坏 O(N)？如何缓解？](#11）为什么 unordered_* 最坏 O(N)？如何缓解？)

[12）自定义排序：map/set 如何按自定义规则排序？](#12）自定义排序：map/set 如何按自定义规则排序？)

[13）自定义 hash：unordered_map 如何支持自定义 key（如 pair/struct）？](#13）自定义 hash：unordered_map 如何支持自定义 key（如 pair/struct）？)

[14）map 的迭代器为什么是"稳定"的？能指向元素后长期使用吗？](#14）map 的迭代器为什么是“稳定”的？能指向元素后长期使用吗？)

[15）map 的元素是 const key，为什么？](#15）map 的元素是 const key，为什么？)

[16）如何高效"更新或插入"？try_emplace / emplace / insert_or_assign](#16）如何高效“更新或插入”？try_emplace / emplace / insert_or_assign)

[17）如何用 map 做"按 value 排序"？](#17）如何用 map 做“按 value 排序”？)

18）时间复杂度对比常考表

额外：面试官最喜欢追问的"实战题型"（关联容器常用套路）

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1）关联容器有哪些？各自底层是什么？

Q：STL 的关联容器有哪些？map/set 和 unordered_map/unordered_set 区别是什么？

A：

• 有序关联容器：set / multiset / map / multimap

  • 底层：红黑树（平衡二叉搜索树）

  • 按 key 有序 （std::less<Key> 默认）

  • 典型复杂度：查找/插入/删除 O(log N)

• 无序关联容器：unordered_set / unordered_multiset / unordered_map / unordered_multimap

  • 底层：哈希表（bucket + 链/开放寻址实现）

  • 不保证遍历顺序

  • 平均复杂度：查找/插入/删除 O(1) ，最坏 O(N)（哈希冲突退化）

常见坑：

• 面试官常追问：*为什么 map 是 O(logN)？为什么 unordered_ 最坏会 O(N)？**（见后续题）

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2）为什么 map/set 查找是 O(logN)？红黑树有什么性质？

Q：map/set 为什么查找插入删除是 O(logN)？红黑树核心性质是什么？

A：

因为红黑树是一种近似平衡 BST，树高是 O(logN) ，所以基于树高的操作都是 O(logN)。

红黑树典型性质（说出 3~5 条就够）：

1. 节点是红或黑

2. 根是黑

3. 叶子 NIL 节点（空节点）是黑

4. 红节点的孩子必须是黑（不能连红）

5. 从任一节点到其所有后代 NIL 的路径，黑节点数相同（黑高一致）

常见坑：

• 不需要背"证明"，但要能说：通过限制红节点分布与黑高一致，让树不会退化成链表。

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3）map vs unordered_map 选型：什么时候用哪个？

Q：什么时候用 map，什么时候用 unordered_map？

A：

用 map 的场景：

• 需要有序（比如按 key 范围遍历、找 lower_bound/upper_bound）

• 需要稳定的 O(logN) 最坏保证

• key 类型不适合/不好写 hash（或者想减少哈希攻击风险）

用 unordered_map 的场景：

• 只关心 key->value 的快速访问，不需要排序

• 平均性能优先（大量查询/插入）

• key 哈希分布良好

常见坑：

• unordered_map 遍历顺序不稳定，rehash 后顺序也可能变。

• 最坏 O(N) 在安全场景/对抗输入（哈希冲突）可能是问题。

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4）map 的 operator[] 有什么副作用？

Q：map[key] 做了什么？与 find 区别？

A：

• operator[]：若 key 不存在，会插入一个新元素，value 用默认构造生成，然后返回 value 引用。

• find：不插入，只查找。

示例：

std::map<std::string,int> m;
m["a"]++;        // 插入 {"a",0} 再自增 => 1
auto it = m.find("b"); // 不会插入

常见坑：

• 面试常考：统计频次时 m[x]++ 可以；但"只想判断存在"就别用 []，会污染容器。

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5）unordered_map 的 operator[] 也会插入吗？

Q：unordered_map[key] 会插入吗？

A：

会。规则与 map 一样：key 不存在就插入默认值。

坑：

• 频繁 [] 可能导致不断增长、触发 rehash，性能抖动。

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6）count / find / equal_range 在 set/map 中怎么用？

Q：count、find、equal_range 分别适合什么？

A：

• find(k)：找一个 key 的迭代器（不存在返回 end）

• count(k)：

  • 对 set/map 结果只可能是 0 或 1

  • 对 multiset/multimap 可能大于 1

• equal_range(k)：

  • 返回 [lower_bound(k), upper_bound(k))

  • 对 multi 容器尤其好用（一次拿到某个 key 的所有元素范围）

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7）lower_bound / upper_bound 在 map/set 的意义？

Q：lower_bound / upper_bound 返回什么？复杂度？

A：

• lower_bound(k)：第一个 >= k 的位置

• upper_bound(k)：第一个 > k 的位置

• 在 map/set 上复杂度 O(logN)（树查找）

常见用法：

• 范围查询、区间删除、统计区间元素数量（结合 distance/迭代）

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8）multimap/multiset 和 map/set 区别？

Q：multi 版本与非 multi 版本区别？如何删除某个 key 的一个元素 vs 全部？

A：

• map/set：key 唯一

• multimap/multiset：key 可重复

删除：

• 删除全部：ms.erase(key)（返回删掉的数量）

• 删除一个：先 auto it = ms.find(key); if(it!=end) ms.erase(it);

坑：

• erase(key) 在 multi 容器会删一堆；面试经常考你是否知道差异。

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9）erase 的几种重载与迭代器失效规则

Q：erase 有哪些用法？迭代器会不会失效？

A：

• erase(it) 删除迭代器所指元素

• erase(key) 删除 key 匹配的元素

• erase(first, last) 删除区间

迭代器失效：

• map/set：删除某个元素只会使被删元素的迭代器失效，其他迭代器仍有效。

• unordered_*：

  • erase 会让被删元素迭代器失效；

  • rehash 会让所有迭代器可能失效（这是大坑）

安全遍历删除写法（通用）：

for(auto it = m.begin(); it != m.end(); ){
    if(cond) it = m.erase(it);
    else ++it;
}

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10）unordered_map 的 rehash、load_factor、reserve：会问很频繁

Q：rehash 什么时候发生？load_factor、max_load_factor、reserve 有什么用？

A：

• 哈希表维护：load_factor = size / bucket_count

• 当 load_factor > max_load_factor 时，触发 rehash（扩 bucket 并重新分布元素）

• reserve(n)：让容器至少能容纳 n 个元素而不频繁 rehash（典型优化手段）

• rehash(b)：直接设置 bucket 数下限为 b

面试加分点：

• 大量插入前 reserve 能减少 rehash 次数，显著优化性能稳定性。

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11）为什么 unordered_* 最坏 O(N)？如何缓解？

Q：unordered_map 为什么可能退化到 O(N)？怎么解决？

A：

原因：大量 key 哈希到同一个桶，桶内查找退化成线性链（或冲突处理退化）。

缓解：

• 选择更好的 hash（自定义 hash）

• 提前 reserve

• 控制 max_load_factor

• 对抗场景下选 map（避免哈希攻击导致退化）

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12）自定义排序：map/set 如何按自定义规则排序？

Q：如何让 set 按自定义规则排序？比较器要满足什么？

A：

• 传入比较器类型：std::set<T, Cmp>

• 比较器必须满足严格弱序（strict weak ordering）：

  • 不能出现自相矛盾：cmp(a,b) 与 cmp(b,a) 不能同时为 true

  • 等价关系要稳定，否则会导致容器行为未定义/丢元素

常见坑：

• 用"<="写比较器会炸（必须是严格 < 语义）

• 比较器依赖可变外部状态也容易出事故

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13）自定义 hash：unordered_map 如何支持自定义 key（如 pair/struct）？

Q：unordered_map<pair<int,int>, int> 怎么写？

A：

需要提供 hash（以及必要时 ==）：

struct PairHash {
    size_t operator()(const std::pair<int,int>& p) const noexcept {
        return std::hash<int>{}(p.first) ^ (std::hash<int>{}(p.second) << 1);
    }
};

std::unordered_map<std::pair<int,int>, int, PairHash> mp;

加分点：

• 提到 noexcept、hash 混合方式、以及 pair/struct 要保证 == 与 hash 一致。

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14）map 的迭代器为什么是"稳定"的？能指向元素后长期使用吗？

Q：map 插入/删除后，已有迭代器会失效吗？

A：

• map/set 插入不会让已有迭代器失效（节点式结构）

• 删除只让被删元素迭代器失效

  因此很多场景下迭代器更"稳定"。

对比：

• vector 插入/扩容会让大量迭代器失效

• unordered_* rehash 会让迭代器大面积失效

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15）map 的元素是 const key，为什么？

Q：为什么 map 的 value_type 是 pair<const Key, T>？

A：

因为 key 决定在红黑树中的位置。

如果允许修改 key，会破坏有序性和树结构不变量，所以 key 必须是 const。

坑：

• 不能 it->first = newKey;（编译失败），要改只能 erase + insert。

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16）如何高效"更新或插入"？try_emplace / emplace / insert_or_assign

Q：C++17 里 map/unordered_map 如何避免不必要构造？

A：

• try_emplace(k, args...)：key 不存在才构造 value（更省）

• insert_or_assign(k, v)：存在就赋值，不存在就插入

• emplace：原地构造（但如果你传了 value 对象，仍可能先构造再移动）

常见坑：

• 面试官会让你解释：emplace 不是"永远零拷贝"，取决于参数传递方式。

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17）如何用 map 做"按 value 排序"？

Q：map 只能按 key 排序，如果要按 value 排序怎么办？

A：

• 常规做法：把 map 拷贝到 vector<pair<...>>，然后 sort 按 value 排序

• 或者使用 multimap<value, key> 反转存储（注意 value 重复）

坑：

• 直接写比较器按 value 排序会破坏 key 唯一/查找语义（不建议）。

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18）时间复杂度对比常考表

Q：map/set、unordered_map/unordered_set 的复杂度表？

A（口述版即可）：

• map/set：查找/插入/删除 O(logN)（最坏也保证）

• unordered_*：平均 O(1) ，最坏 O(N)；rehash 会导致阶段性抖动

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额外：面试官最喜欢追问的"实战题型"（关联容器常用套路）

1. 词频统计/TopK ：unordered_map 计数 + priority_queue 或 sort

2. 去重 ：set / unordered_set

3. 区间查询 ：必须用 map/set 的 lower_bound/upper_bound

4. LRU/缓存 ：unordered_map + list（关联容器当索引用）

5. 自定义 key：struct/pair 的 hash 与比较器